W6 Wzajemne oddziaływanie odbiorników sprzężonych przez impedancję źródła Program ćwiczenia:

Transkrypt

1 W6 Wzajemne oddziaływanie odbiorników sprzężonych przez impedancję źródła Celem ćwiczenia jest pomiarowe zbadanie i obliczeniowe zamodelowanie wzajemnego oddziaływania odbiorów zasilanych z tego samego transformatora oraz oddziaływania odbiorów nieliniowych na sieć elektroenergetyczną. Problemy te nabierają coraz większego znaczenia w kontekście coraz powszechniejszego stosowania odbiorów silnie nieliniowych, w postaci odbiorów energoelektronicznych. W ćwiczeniu są one reprezentowane przez źródła światła (żarówka z regulatorem tyrystorowym i świetlówka kompaktowa), zasilacz komputerowy, silnik indukcyjny pierścieniowy z tranzystorowym układem rozruchowym we wirniku, silnik indukcyjny klatkowy z układem soft-startu i silnik indukcyjny klatkowy zasilany poprzez przemiennik częstotliwości. Pierwszy układ pomiarowy należy traktować jako jednofazowy model rzeczywistych układów trójfazowych. W części obliczeniowej ćwiczenia modeluje się działanie układów z części pomiarowej, celem ustalenia możliwego do osiągnięcia poziomu zbieżności wyników rzeczywistych i symulacyjnych. Drugim celem obliczeń jest symulacyjny dobór odpowiednich filtrów, ograniczających oddziaływanie odbiorów na sieć elektroenergetyczną. Program ćwiczenia: I. Część pomiarowa 1. Skalowanie torów pomiarowych w 1. układzie pomiarowym 2. Rejestracje prądów i napięć w 1. układzie, przy odbiorze nieliniowym w postaci obciążonego rezystancyjnie układu antyrównoległego tyrystorów, przy 3 różnych kątach wyzwolenia tyrystorów 3. Rejestracje prądów i napięć w 1. układzie, przy odbiorze nieliniowym w postaci świetlówek kompaktowych (Compact Fluorescent Lamp Integrated) 4. Rejestracje prądów i napięć w 1. układzie, przy odbiorze nieliniowym w postaci obciążonego rezystancyjnie typowego zasilacza mikrokomputera PC 5. Rejestracje prądów i napięć w 2. układzie pomiarowym, przy odbiorze nieliniowym w postaci silnika indukcyjnego pierścieniowego z układem rozruchowym z modulacją rezystancji we wirniku 6. Rejestracje prądów i napięć w 3. układzie, przy odbiorze nieliniowym w postaci silnika indukcyjnego klatkowego z układem miękkiego rozruchu 7. Rejestracje prądów i napięć w 3. układzie, przy odbiorze nieliniowym w postaci silnika indukcyjnego klatkowego zasilonego z przemiennika częstotliwości

2 II. Część obliczeniowa 1. Obliczenia modelowe układów z punktów I.2 7 części pomiarowej ćwiczenia odtworzenie zarejestrowanych przebiegów prądów i napięć 2. Obliczeniowe sprawdzenie działania wybranych metod ograniczenia wpływu odbiorników nieliniowych na sieć zasilającą Dane znamionowe transformatora w układzie pomiarowym 1 (rys. 1a): S N = 800VA, U N1 = 220V, U N2 = 220V, I N1 = 3.6A, I N2 = 3.6A, f N = 50Hz Parametry schematu zastępczego transformatora (reaktancje dla 50Hz): R 1 = R 2 ' = 0.344, X 1 = X 2 ' = 1.77, R Fe = 3900, X = 560 (el. R Fe, X równolegle) Dane znamionowe świetlówki kompaktowej w układzie 1 (w układzie jest ich 8; rys. 1b): U N = V, f N = 50 60Hz, P N = 25W (pod względem wielkości strumienia świetlnego odpowiada to żarówce o mocy znamionowej 120W), I N = 0.22A, temperatura barwowa 2700K Dane znamionowe zasilacza komputerowego w układzie 1: U N = V, f N = 50 60Hz, P N = 200W, max. prąd pobierany z wyjścia 5VDC: 20A Rys. 1a. Schemat 1. układu pomiarowego (amperomierze prądu zmiennego 2A, woltomierz prądu zmiennego 300V, transformatorowy przekładnik napięciowy 380V/5V)

3 Rys. 1b. Schemat ideowy typowej świetlówki kompaktowej Uwagi wykonawcze do układu pomiarowego 1: 1. Napięcie zasilające transformator, pochodzące z autotrafo, powinno wynosić 220V sk. 2. Przy wykonywaniu jakichkolwiek przełączeń w układzie należy nie tylko obniżyć napięcie wyjściowe z autotransformatora do zera ale także wyłączyć jego zasilanie, ponieważ autotransformator nie zapewnia separacji. 3. Sygnały napięciowe pochodzące z boczników pomiarowych nie mogą być podłączone bezpośrednio na kartę pomiarową komputera, ponieważ w przypadku przerwy na którymś z boczników karta dostanie na swoje wejście A/C całe napięcie strony wtórnej transformatora, czyli w ćwiczeniu 220V sk. Konieczne jest użycie separatorów. 4. Do rejestracji przebiegów wykorzystuje się pakiet REGIS. Częstotliwość próbkowania rzędu 5kHz jest całkowicie wystarczająca. Zakres napięć wejściowych karty: +/ 10V. Przy zapisie wykonanej rejestracji do zbioru należy wybrać opcję zapisu wyników przetwarzania A/C w postaci napięcia wejściowego karty A/C. Wyniki należy zapisać do pliku w postaci znaków ASCII (plik o rozszerzeniu DAT). 5. Kondensator elektrolityczny umieszczony za diodowym mostkiem prostowniczym pojedynczej świetlówki ma pojemność 5.6 F, czyli dla 8 świetlówek sumaryczna pojemność wynosi 8 x 5.6 F = 44.8 F.

4 Rys. 2. Schemat 2. układu pomiarowego, z układem rozruchowym silnika pierścieniowego z modulacją rezystancji we wirniku Dane znamionowe i katalogowe silnika pierścieniowego: P N = 3kW, U N = 380V D, I N = 6.6A, f N = 50Hz, cosφ N = 0.81, n N = 1420obr/min,, U Nr = 80V, I Nr = 26A, praca S1, dop. temp. otoczenia 40 C, Izolacja klasy B, IP44, Tr = 2T N, Ir = 5.5I N, T k = 3T N, typ: SZUe44a, J = 0.39kgm 2 (całego zespołu maszynowego) Parametry schematu zastępczego silnika pierścieniowego (dla połączenia stojana w trójkąt, reaktancje dla 50Hz): R s = 3.56Ω, X σs = 10.7Ω, R r = 5.03Ω, X σr = 5.36Ω, X μ = 184Ω, R Fe = 1000Ω

5 Uwagi wykonawcze do układu pomiarowego 2: Wstępna konfiguracja sterownika układu rozruchowego silnika indukcyjnego pierścieniowego z modulacją rezystancji we wirniku przebiega następująco: 1. Po włączeniu zasilania sterownika należy go zresetować przyciskiem RESET (jest to bardzo mały, okrągły przycisk, poza klawiaturą urządzenia). 2. Przed załączeniem silnika pierścieniowego pracującego z układem rozruchowym należy wprowadzić do sterownika 3 nastawy, w podanej kolejności: prąd znamionowy strony pierwotnej przekładnika prądowego, służącego do pomiaru prądu stojana silnika podczas rozruchu, wartość skuteczną prądu rozruchowego (w sensie prądu strony pierwotnej przekładnika prądowego) i czas trwania rozruchu. Parametry te są przedstawiane na wyświetlaczu alfanumerycznym. Do wprowadzenia tych nastaw służą klawisze: naciśnięcie powoduje przejście do wyboru prądu znamionowego strony pierwotnej użytego przekładnika prądowego, OK naciśnięcie powoduje zatwierdzenie każdego nastawionego parametru, naciśnięcie powoduje wprowadzenie standardowej wartości nastawianego parametru lub przełącza na następną nastawę, po uprzednim zatwierdzeniu nastawy bieżącej przyciskiem OK, naciśnięcie zwiększa wartość nastawianego parametru, naciśnięcie zmniejsza wartość nastawianego parametru. 3. Po zatwierdzeniu ostatniej, trzeciej nastawy przyciskiem OK, na wyświetlaczu powinien ukazać się komunikat GOTOWOŚĆ. Wówczas można załączyć napięcie na silnik w taki sposób, aby jego wirnik kręcił się w lewą stronę. Podczas rozruchu silnika na wyświetlaczu powinien ukazać się komunikat PRACA. 4. W sytuacji zadania zbyt krótkiego czasu rozruchu, tj. takiego, który spowodowałby przekroczenie zadanego prądu rozruchowego, prąd jest zachowywany, z konsekwencją wydłużenia czasu rozruchu w stosunku do zadanego. 5. Wszystkie 3 nastawy SĄ TRACONE po każdym rozruchu do nowego rozruchu trzeba je wprowadzić ponownie, zaczynając od prądu znamionowego przekładnika. Rejestracje przebiegów prądów i napięć silnika podczas rozruchu prowadzi się na komputerze stanowiskowym, z wykorzystaniem pakietu LABMOT. Należy wykonać jedną rejestrację, z zadanym czasem rozruchu rzędu 8-10 sekund i prądem rozruchowym silnika rzędu 5A.

6 Ćwiczenie A1 schemat ideowy układu ćwiczeniowego 3 x 400V Szafa D6, przycisk P1 PE U, V, W Szyna PE falownika W1 1 AC W2 1 2 AC 2 Falownik Altivar 58 AC AC Softstart Altistart 01 k K A3 l L PC 5 A/C USB V = RMS W6 1 2 Przekładniki halotronowe Mikrokomputer z kartą akwizycji danych W4 V1 V sk A1 Obrotomierz PE Ekran kabla + M M T Silnik indukcyjny Generator prądu stałego Żarówki R obciążenia R1 W3 =220V Szafa D6, przycisk P5 - Rys. 3. Schemat 3. układu pomiarowego, z silnikiem klatkowym zasilonym poprzez soft-start lub przemiennik częstotliwości

7 Dane znamionowe i katalogowe silnika klatkowego: P N = 3kW, U N = 220/400V, I N = 11.4/6.5A D/Y, f N = 50Hz, cosφ N = 0.81, n N = 1415obr/min, praca S3 60%, dop. temp. otoczenia 40 C, IP55, Tr = 2.2T N, Ir = 4.9I N, T k = 2.45T N, typ: Sg100L-4B, J = 0.2kgm 2 (całego zespołu maszynowego) Parametry schematu zastępczego silnika klatkowego (dla połączenia stojana w gwiazdę, reaktancje dla 50Hz): R s = 1.9Ω, X σs = 2.4Ω, R r = 2.11Ω, X σr = 2.48Ω, X μ = 52.4Ω, R Fe = 815Ω Uwagi wykonawcze do układu pomiarowego 3: Rejestracje przebiegów prądów i napięć silnika prowadzi się na komputerze stanowiskowym, z wykorzystaniem pakietu MATLAB. Rejestracje wejściowych prądów i napięć przemiennika częstotliwości prowadzi się w stanie biegu jałowego silnika i w sytuacji jego obciążenia maksymalnym momentem mierzalnym momentomierzem na stanowisku. Rejestrację prądów i napięć soft-startu przeprowadza się przy zadanym czasie rozruchu rzędu 8-10 sekund. Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać: 1. Schematy układów pomiarowych oraz spis wykonanych pomiarów i rejestracji. 2. Obliczenia dotyczące skalowania torów pomiarowych w układzie Pomiarowe i obliczeniowe przebiegi napięć i prądów, narysowane dla danego przypadku pomiarowego w jednym układzie współrzędnych, celem porównania ze sobą przebiegów pomiarowych i symulacyjnych. 4. Przebiegi symulacyjne układów z dodatkową filtracją ograniczającą oddziaływanie odbiorów nieliniowych na sieć elektroenergetyczną. 5. Modele z pakietu MATLAB-Simulink, które wykorzystywano w obliczeniach symulacyjnych. 6. Wnioski dotyczące poziomu zbieżności wyników symulacyjnych i pomiarowych oraz metod ograniczania wzajemnego oddziaływania odbiorów poprzez sieć elektroenergetyczną.